DE1594368C3

DE1594368C3 - Schmier und Hydraulik Flüssigkeit mit einem dem jeweils beabsichtigten Zweck angepaßten Viskositats Druck Koeffizienten

Info

Publication number: DE1594368C3
Application number: DE1594368A
Authority: DE
Inventors: Eduard Prof. Dr. 3000 Hannover Kuss
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1964-01-02
Filing date: 1964-01-02
Publication date: 1973-11-22
Also published as: GB1086981A; DE1594368B2; DE1594368A1

Description

a) Absolutwert der Viskosität, b) Druck- und Temperaturabhängigkeit der Viskosität, c) Benetzbarkeit, Kriechvermögen, d) Bruchfestigkeit des ölfilmes, e) Oxydationsbeständigkeit, f) Flammpunkt, g) Nicht Newtonsches Verhalten, h) Oberflächenspannung, i) »Detergent«-Eigenschaften, j) »Notlauf«-Eigenschaften eingehen. Die Anforderungen an das Schmiermittel sind je nach Anwendungszweck, Konstruktion und Betriebsbedingungen der Maschine verschieden. Deshalb ist auch die Einstellung eines verschiedenen Viskositäts-Druck-Verhaltens durch Variieren der Molekülstruktur von besonderem Interesse.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun die Verwendung von Verbindungen der allgemeinen Formel

R₁-O

■R,

20

in der R₁ Wasserstoff, einen Alkyl-, Cycloalkyl-, vorzugsweise Methyl-, Äthyl-, - Propyl- und Butylrest, R₂ Wasserstoff,

CH₃
-CH

und R₃ Wasserstoff,

CH₃
CH

CH,

CH₃
CH

30

35

40

' .

jedoch R₂ und R₃ nicht gleichzeitig H bedeuten und in der der di- bzw. trisubstituierte Benzolring auch hydriert sein kann, als Schmier- und Hydraulikflüssigkeit mit einem dem jeweils beabsichtigten Zweck angepaßten Viskositäts-Druck-Koeffizienten. Diese der angegebenen allgemeinen Formel entsprechenden Verbindungen weisen Viskositäts-Druck-Koeffizienten »72000/% zwischen 10 und 8000 000 auf. Im einzelnen ergeben sich die Koeffizienten der erfindungsgemäß verwendeten Verbindungen aus der Tabelle II, in der gleichzeitig entsprechende Werte für die Dichte, die Viskosität, die Viskositäts-Druck-Koeffizienten aufgenommen sind. Die entsprechenden Werte der bereits für diesen Zweck eingesetzten Flüssigkeiten (Stand der Technik) sind in Tabelle I zusammengestellt. Neben den reinen definierten Verbindungen können auch deren Mischungen untereinander mit beliebiger Zusammensetzung verwendet werden, wodurch sich jedes gewünschte Verhältnis für >/₂ooo/'/i einstellen und sich somit diese Verhältnisse systematisch vanieren lassen. Die erfindungsgemäß verwendeten Verbindungen sind teils durch die Industrie direkt zugänglich, teils lassen sie sich aus den erhältlichen Verbindungen durch Kernhydrierung und Ätherspaltung herstellen. Je nach den Anforderungen können diesen Verbindungen bzw. deren Gemischen z. B. Detergent Additive, Antioxydantien und Antikorrosiva zugegeben werden.

Mit diesen Verbindungen genau definierbarer Molekularstruktur ergeben sich Substanzen, deren unter anderem für das Schmierverhalten wichtigen Viskositäts-Druck-Koeffizienten in überraschender Weise den gesamten mit den niedermolekularen Verbindungen einerseits und Mineralölen andererseits erzielbaren, bei letzteren besonders weiten Wert-Bereich überspannen bzw. sogar noch weit darüber hinausgehen. Darüber hinaus bietet die einfache Bestimmbarkeit der Molekularstruktur der erfindungsgemäß verwendeten Verbindungen hinsichtlich der Reproduzierbarkeit des Schmierverhaltens erhebliche Vorteile gegenüber den entsprechend verwendeten Schmierölen, da auch bei stärkstem apparativem und zeitlichem Aufwand eine vollständige Analyse eines Schmieröles heute noch nicht möglich ist. Dabei wäre es durchaus denkbar, daß das extreme Druckverhalten der öle gerade erst durch deren komplizierten Gemischcharakter verursacht wird. Gemische, die unter Volumenkontraktionen stehen, weisen ja häufig höhere Viskositäten auf als die Einzelbestandteile im Reinzustand, von denen einige Bestandteile im Reinzustand sogar fest sein können. Die reproduzierbare Einstellung des Schmierverhaltens solcher öle bereitet daher erhebliche Schwierigkeiten, die sich nach - der vorliegenden Erfindung auf einfache Weise umgehen las-; sen. überdies spielen diese erfindungsgemäß verwendeten Verbindungen auch als Hydraulik-Flüssigkeiten sowie auf meßtechnischem Gebiet, eine interessante Rolle. Als Beispiel für den ersteren Zweck seien Rück-, laufbremsen für hohe und höchste Belastungen und^! für den letzteren Zweck die Bestimmung hoher Mole-_; kulargewichte auf Grund der Sedimentationsgeschwindigkeit in der Ultrazentrifuge erwähnt.

Beispiel

Die Entwicklung und Erprobung von Substanzen mit definiertem Viskositäts-Druck-Verhalten macht Messungen der Viskosität unter hohen Drücken erforderlich. Das hierfür entwickelte Hochdruckviskosimeter wurde 1955 in der Fachliteratur veröffentlicht (E. Kuss, Zs. angew. Phys. 7, 1955, 372 bis 378, »Die Viskosität in komprimierten Flüssigkeiten«), so daß hier lediglich das Prinzip dargestellt zu werden braucht.

In einem besonderen, in das Hochdruckrohr einzubauenden vertikalen Glaseinsatz fällt eine Kugel unter der Einwirkung der Schwerkraft und unter der bremsenden Wirkung der Viskosität des umgebenden Mediums mit einer konstanten Geschwindigkeit. Auf der Außenwand des Glasrohres sind an zwei Stellen Induktionsspulen angebracht. Durchläuft die Kugel eine der Spulen, so wird ein Schwingkreis oder eine Wechselstrombrücke verstimmt. Die so entstehenden Signale werden über elektrische Hochdruckdurchführungen nach außen gegeben und dienen dazu, eine elektronische Uhr mit einer Anzeigegenauigkeit von 0,01 Sekunden an- und abzustoppen. Die so gemessene Fallzeit ist ein direktes Maß für die Viskosität des im Glasrohr befindlichen Mediums bei den dort vorliegenden Drücken und Temperaturen.

Nach Beendigung des Meßvorganges wird der Fallkörper, ohne die Apparatur zu kippen oder in ihrer

Stellung zu verändern, magnetisch in die Ausgangsstellung zurückgebracht, so daß die Messung ohne Druck und Temperaturänderung beliebig oft wiederholt werden kann.

Die Absolutgenauigkeit beträgt bei Drücken bis 2000 at 2%, die Reproduzierbarkeit der Messungen liegt bei einigen Promille. Mit dem Gerät wurden die in den Tabellen I und II wiedergegebenen Werte der Viskosität und der Viskositäts-Druck-Koeffizienten bestimmt. Weiteres Zahlenmaterial über Reinsubstanzen und über Mineralöle kann entsprechenden Veröffentlichungen (E. Kuss, Zs. angew. Phys. 10, 1958, 566 bis 575, »Das Viskositäts-Druckverhalten hochmolekularer Substanzen«, und E. Kuss, Materialprüfung 2, 1960, 189 bis 197, »über das Viskositätsdruckverhalten von Mineralölen«) entnommen werden.

. Die übrigen in den Tabellen aufgeführten Daten wurden mit üblichen Geräten gemessen.

Die Charakterisierung der Mineralöle erfolgte in üblicher Weise durch Angabe der C_A-, C_n- und Cp-Werte (Kohlenstoffatome in aromatischer, naphthenischer und paraffinischer Bindung). Die Werte wurden nach der v-n-d-Methode von Waterman (H.I. Waterman, »Correlation between physical constants and chemical structure«, Elsevier Amsterdam 1958) und durch Infrarotanalyse nach Brandes (G. Brandes, Brennstoffchemie, 37, 1956, 263 bis 267, »Strukturgruppenanalyse mit Hilfe der Ultrarotspektroskopie«) bestimmt.

Die Tabelle I enthält Daten von 10 Markenölen, die aus dem umfangreichen Material so ausgesucht sind, daß sie möglichst gleichmäßig den erreichbaren Bereich der Viskositäts-Druck-Koeffizienten überstreichen.

Da die letzte der in Tabelle II zusammengestellten Substanzen bei 25° C bereits fest ist und bei Schmierungsproblemen das Verhalten bei höherer Temperatur interessiert, wurden in allen Fällen die Daten für 40° C angegeben.

Aus Tabelle II ist klar ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Verbindungen den gesamten angegebenen und technisch in Betracht kommenden Viskositäts-Druck-Bereich der öle überstreichen.

Schließlich zeigt Tabelle II, daß sich mit der Verwendung der erfindungsgemäßen Verbindungen nicht nur extrem hohe Viskositäts-Druck-Koeffizienten erreichen, sondern auch nach Wunsch beliebige Zwi-• schenwerte zwischen dem kleinsten und größten Wert einstellen lassen.

Tabelle I Das Viskositäts-Druck-Verhalten ausgesuchter handelsüblicher Markenöle

Lfd. Nr.	C_A	C_n	Cp	(g-iin-³)	»,40 (cP)	O₄₀ ■ 10³ (at"')	teooo ' ^1)40
1	. 1,6	18	80,4	0,8292	12,90	1,56	22,5
■2'	8,3 '	32,2	59,5	0,8625	33,49	1,77	34,1
3	.2,8	35,8	61,4	0,8735	' 59,6 .	1,85	40,2
4	9,8	'20,3	69,9	0,8811	100,9	1,94	48,1
■5	9,1	20,0	70	0,8791	158,5	2,00	54,8
6	7,9	32,4	59,7	0,8794	173,8	2,05	60,5
. 7	10,9	24,3	64,8	0,8857	135,0	2,12 .	69,9
8	9,0	29	62	0,8873	147,2 ' ^:	2,39	119,5
9	19,0	' 22	59	0,9069	110,9	2,48	143,0
10	•25,4	26,4	48,2	0,9213	66,5	2,75	242

Tabelle II Das Viskositäts-Druck-Verhalten einiger erfindungsgemäß verwendbarer Verbindungen

	H₃C —	⁰O	CH₃	&10 (g/cm³)	')40 (cP)	«to · ΙΟ³ (at"')	15,1
			-^ch-O
1.	H₃C	Ο^Η/>	CH₃	1,0293	5,86	1,36	56,5
			— CH-<^η\
2.	Η —		CH₃	0,9191	7,26 .'	2,02	182
			— C
3.		^:η^3	1,0741	80,0	. 2,61

	H	-	-"Ο	CH₃	>	Fortsetzung	/ TT \ \ /	Sio (g/cm³)	¹IiO (cP)	««,•10³ (at'¹)	('/2000 ■ '/1 /40
	H₃C-		H₃C-C-< H			O
				>—(			0,9583	842	3,56	1230
4.			-o-<h)	:h—		1,0441	102,0	3,8<5	2190
5.	H₃C-		Γ H₃C- C—< H	\=/
			CH₃
		-O-/3	^CH-		0,9403	859,0	6,09	1,9 ■ 10⁵
6.	H-	H₃C-C-K H
		*	CH₃
		— 0—<jhT)	>-CH-		1,0719	513	4,15	4000
7.	H	H₃C-C-K H	O
		CH₃
		>-CH-	0,9616	42 200	7,95	8· 10⁶
■8.		(h			■. ■ '

Claims

Patentanspruch:

Verwendung von Verbindungen der allgemeinen Formel

R₁-O

IO

worin R₁ Wasserstoff, einen Alkyl-, Cycloalkyl-, vorzugsweise Methyl-, Äthyl-, Propyl- und Butylrest, R₂ Wasserstoff,

CH₃

-CH

CH₃
-CH

oder

und R₃ Wasserstoff,

CH₃

oder

CH₃
-CH

jedoch R₂ und R₃ nicht gleichzeitig H bedeuten können und in der der di- bzw. trisubstituierte Benzolring auch hydriert sein kann, als Schmier- und Hydraulikflüssigkeit mit einem dem jeweils beabsichtigten Zweck angepaßten Viskositäts-Druck-Koeffizienten. ■ ■ .

30

35

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45

Bekanntlich steigt die Viskosität einer Flüssigkeit bis zu Drücken von etwa 2000 at etwa exponentiell mit dem Druck an. Das gilt — rein qualitativ gesehen — sowohl für niedermolekulare Verbindungen, wie z. B. Pentan (Molgewicht 72), als auch z. B. für Mineralöle (Molgewicht bis zu 600). Quantitativ bestehen jedoch zwischen den beiden genannten Flüssigkeitstypen erhebliche Unterschiede. Als Maß für das Viskositäts-Druck-Verhalten einer Flüssigkeit dient dabei der Viskositäts-Druck-Koeffizient a, der durch folgende Gleichung gegeben ist:

■ 1

Hierin bedeutet η die dynamische Viskosität in Centipoise, ρ der Druck in Atmosphären oder kp/cm² und f die Temperatur in ⁰C.

Bis zu Drücken von· 2000 at kann die Viskosität von niedermolekularen Verbindungen um den Faktor i/2ooo/»7i ^von 3 bis maximal 7 größer als bei Atmosphärendruck sein (α = 0,5 bis 1,0 · 10~³).

Bei Mineralölen dagegen liegen die Werte für '/2000^i zwischen 30 und 20000 (α = 1,7 · 10~³ bis 5,0 · iO~³) [at"¹]. Die Viskosität eines Mineralöles kann bei 2000 at also um 4 Zehnerpotenzen größer als bei Atmosphärendruck sein.

Die technische Bedeutung des Viskositäts-Druck-Koeffizienten einer Flüssigkeit liegt in erster Linie auf dem Gebiet der Getriebe- und der Maschinen-Schmierung. Sie ergibt sich an Hand ,eines Modells für ein einfaches Lager. In diesem Modell liegt die mit einem kreisförmigen Querschnitt angenommene Welle einer Maschine zunächst in der ebenfalls mit kreisförmigem Querschnitt größeren Durchmessers angenommenen Lagerschale auf. In der anlaufenden Maschine wird nun die als Schmiermittel dienende Flüssigkeit von der Welle in den zwischen ihr und der Lagerschale gebildeten sichelförmigen Spalt hineingerissen. Die Flüssigkeit staut sich dort auf Grund ihrer Viskosität an, wobei die Welle mit einer bestimmten Kraft angehoben wird. Eine Zeitlang berühren sich dann noch bei langsam wachsender Tourenzahl der Welle die Spitzen der mikroskopisch rauhen Welle und des Lagers, bis schließlich bei einer bestimmten Tourenzahl die Kraft ausreicht, um auch die letzte Berührung zwischen Welle und Lager aufzuheben. Zwischen Lager und Welle besteht dann auch elektrisch kein Kontakt mehr. Von dieser Tourenzahl an, dem sogenannten Ausklinkpunkt, besteht also Vollschmierung.

Für den Ausklinkpunkt, den Verschleiß und den Leistungsverlust in der Maschine ist weitgehend die Viskosität im Lagerspalt maßgebend. Solange die durch das Gewicht der Welle gegebenen Lagerdrücke noch genügend klein sind, kann der Druckeinfluß auf die Viskosität vernachlässigt werden. Im Zuge der technischen Weiterentwicklung gibt es heute jedoch eine Reihe von Maschinen, hochbelastete Speziallager und Zahnradgetriebe verschiedener Art, in denen lokal Drücke von einigen hundert bis zu mehreren tausend Atmosphären auftreten. Der Druckeinfluß auf die Viskosität der verwendeten Flüssigkeiten ist dann nicht mehr zu vernachlässigen.

Die verschiedenen Arten von Getriebeschäden und ihre möglichen Ursachen werden in neueren Arbeiten von A. B a r t e 1 »Mineralöltechnik« 5 (1960), Heft 17 bis 20, behandelt. Die wirtschaftliche Bedeutung dieser Schäden geht aus einer Abschätzung G. Vogelp ο hl s »Naturwiss.« 41 (1954), Heft 5, 109 bis 114, hervor, nach der allein in der Bundesrepublik Deutsch-, land rund fünf Milliarden DM pro Jahr durch Reibungsverluste in Maschinen verlorengehen.

Angesichts dieser Tatbestände besteht daher ein großes technisches Interesse an der Vermeidung von durch mangelhafte Schmierung verursachten Verschleißschäden. Hierzu bedarf es bestimmter Flüssigkeiten mit dem Zweck angepaßten, z. T. möglichst hohen Viskositäts-Druck-Koeffizienten. Die bisher bekannten und für diesen Zweck technisch eingesetzten Flüssigkeiten besitzen lediglich Faktoren für )/₂ooo/'/i zwischen 50 und 500. Besondere, für Laboratoriumszwecke behandelte öle (Extrakte) können Faktoren bis zu 20 000 aufweisen. Eine klare Definition der Begriffe »Schmierverhalten« und »Schmiervermögen« liegt bisher noch nicht vor, da dabei die verschiedensten physikalischen und chemischen Eigenschaften wie